JP5766282B2 - ヒータおよびこれを備えたグロープラグ - Google Patents

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Description

本発明は、例えば燃焼式車載暖房装置における点火用若しくは炎検知用のヒータ、石油ファンヒータ等の各種燃焼機器の点火用のヒータ、自動車エンジンのグロープラグ用のヒータ、酸素センサ等の各種センサ用のヒータ、測定機器の加熱用のヒータ等に利用されるヒータおよびこれを備えたグロープラグに関するものである。
自動車エンジンのグロープラグ等に用いられるヒータは、発熱部を有する抵抗体、リードおよび絶縁基体を含む構成になっている。そして、リードの抵抗が抵抗体の抵抗より小さくなるように、これらの材料選定や形状設計がされている。
ここで、抵抗体とリードとの接合部は、形状変化点であったり材料組成変化点であったりするので、使用時の発熱や冷却での熱膨張の差に起因した影響を受けないように接合面積を大きくする目的で、リードの軸方向に平行な断面で視たときに抵抗体とリードとの界面が斜めになっているものが知られている（例えば、特許文献１，２を参照）。
特開2002−334768号公報 特開2003−22889号公報
近年、従来以上の急速昇温が求められているため、エンジン動作開始時に抵抗体に大電流を流す必要性がでてきた。このように、ヒータに大電流を流して使用する場合には、抵抗体とリードとの界面を斜めにして接合面積を大きくしていたとしても、抵抗体とリードとの熱膨張差が大きく、接合部（抵抗体の端部またはリードの端部）に熱応力が集中して、クラックが入るという問題が生じてきた。
本発明は、上記従来の問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、急速昇温等の際に抵抗体に大電流が流れても抵抗体とリードとの接合部に多大な熱応力が集中することを抑制された高い信頼性および耐久性を有するヒータを提供することである。
本発明のヒータは、絶縁基体と、該絶縁基体に埋設された抵抗体と、前記絶縁基体に埋
設され、先端側で前記抵抗体に接続されるとともに後端側で前記絶縁基体の表面に導出されたリードとを備え、該リードは前記抵抗体よりも太い形状であって、前記リードの先端部に前記抵抗体の端部が入り込むようにして接続されているとともに、前記抵抗体の端面には凹部が設けられ、該凹部に前記リードの一部が入り込んでおり、前記抵抗体は横断面において端部がリードの先端側の内側に位置していることを特徴とするものである。
また、本発明のヒータは、上記の構成のヒータと、前記リードと電気的に接続されて前記ヒータを保持する金属製保持部材とを備えたグロープラグとして使用できる。
本発明のヒータによれば、急速昇温の際に大電流が流れても、抵抗体よりも抵抗値の低いリードに抵抗体の内側の熱を散逸させることができる。したがって、接合部に熱がこもるのを抑制して、発熱による負荷を低減できる。その結果、繰り返し温度を上下させても、接合部にクラックが入るのを抑制することができる。これにより、ヒータの信頼性および耐久性が向上する。
（ａ）は本発明のヒータの実施の形態の一例を示す要部拡大縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線における横断面図である。 （ａ）は本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す要部拡大縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線における横断面図である。 （ａ）は本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す要部拡大縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線における横断面図である。 （ａ）は本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す要部拡大縦断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＸ−Ｘ線における横断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す要部拡大縦断面図である。 本発明のグロープラグの実施の形態の一例を示す概略縦断面図である。
以下、本発明のヒータの実施の形態の例について図面を参照して詳細に説明する。
図１（ａ）は本発明のヒータの実施の形態の一例を示す縦断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＸ−Ｘ線における横断面図である。また、図２（ａ）は本発明のヒータの実施の形態の他の例を示す縦断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）に示すＸ−Ｘ線における横断面図である。
本実施の形態のヒータ１は、絶縁基体９と、絶縁基体９に埋設された抵抗体３と、絶縁基体９に埋設され、先端側で抵抗体３に接続されるとともに後端側で絶縁基体９の表面に導出されたリード８とを備え、リード８は抵抗体３よりも太い形状であって、リード８の先端部に抵抗体３の端部が入り込むようにして接続されているとともに、抵抗体３の端面には凹部31が設けられ、該凹部31にリード８の一部が入り込んでいる。
本実施の形態のヒータ１における絶縁基体９は、例えば棒状に形成されたものである。この絶縁基体９は抵抗体３およびリード８を被覆しており、言い換えると、抵抗体３およびリード８が絶縁基体９に埋設されている。ここで、絶縁基体９はセラミックスからなることが好ましく、これにより、金属よりも高温まで耐えることができるようになるので、急速昇温時の信頼性がより向上したヒータ１を提供することが可能になる。具体的には、酸化物セラミックス，窒化物セラミックス，炭化物セラミックス等の電気的な絶縁性を有するセラミックスが挙げられる。特に、絶縁基体９は、窒化珪素質セラミックスからなることが好適である。窒化珪素質セラミックスは、主成分である窒化珪素が高強度、高靱性、高絶縁性および耐熱性の観点で優れているからである。この窒化珪素質セラミックスは、例えば、主成分の窒化珪素に対して、焼結助剤として３〜12質量％のＹ２Ｏ３，Ｙｂ２Ｏ３，Ｅｒ２Ｏ３等の希土類元素酸化物、0.5〜３質量％のＡｌ２Ｏ３、さらに焼結体に含まれるＳｉＯ２量として1.5〜５質量％となるようにＳｉＯ２を混合し、所定の形状に成形し、その後、1650〜1780℃でホットプレス焼成することにより得ることができる。
また、絶縁基体９として窒化珪素質セラミックスから成るものを用いる場合、ＭｏＳｉ２，ＷＳｉ２等を混合し分散させることが好ましい。この場合、母材である窒化珪素質セラミックスの熱膨張率を抵抗体３の熱膨張率に近づけることができ、ヒータ１の耐久性を向上させることができる。
抵抗体３は、図１に示すような直線形状であればリード８間の領域を発熱部４とすることができ、選択的に発熱部４とするには、一部断面積を小さくした領域やらせん形状の領域を設けるとよい。また、図２に示すような折返し形状をなしている場合、抵抗体３のリード８間の領域を発熱部４とすることができ、折返しの中間点付近が最も発熱する発熱部４となる。この抵抗体３としては、Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉなどの炭化物、窒化物、珪化物などを主成分とするものを使用することができる。絶縁基体９が上述の材料の場合、絶縁基体９との熱膨張率の差が小さい点、高い耐熱性を有する点および比抵抗が小さい点で、上記の材料のなかでも炭化タングステン（ＷＣ）が抵抗体３の材料として優れている。さらに、絶縁基体９が窒化珪素質セラミックスからなる場合、抵抗体３は無機導電体のＷＣを主成分とし、これに添加される窒化珪素の含有率が20質量％以上であるものが好ましい。例えば、窒化珪素質セラミックスから成る絶縁基体９中において、抵抗体３となる導体成分は窒化珪素と比較して熱膨張率が大きいため、通常は引張応力がかかった状態にある。これに対して、抵抗体３中に窒化珪素を添加することにより、抵抗体３の熱膨張率を絶縁基体９の熱膨張率に近づけて、ヒータ１の昇温時および降温時の熱膨張率の差による応力を緩和することができる。
また、抵抗体３に含まれる窒化珪素の含有量が40質量％以下であるときには、抵抗体３の抵抗値を比較的小さくして安定させることができる。従って、抵抗体３に含まれる窒化珪素の含有量は20質量％〜40質量％であることが好ましい。より好ましくは、窒化珪素の含有量は25質量％〜35質量％がよい。また、抵抗体３への同様の添加物として、窒化珪素の代わりに窒化硼素を４質量％〜12質量％添加することもできる。
抵抗体３の厚み（図２（ｂ）に示す上下方向の厚み）は、0.5ｍｍ〜1.5ｍｍがよく、抵抗体３の幅（図２（ｂ）に示す水平方向の幅）は、0.3ｍｍ〜1.3ｍｍがよい。この範囲内とすることにより、抵抗体３の抵抗値を小さくして十分に発熱させることができる。また、絶縁基体９が例えば半割りの成型体を積層して形成してなる積層構造の場合において、積層構造の絶縁基体９の積層界面の密着性を保持することができる。
抵抗体３の端部に接合されたリード８は、Ｗ，Ｍｏ，Ｔｉなどの炭化物、窒化物、珪化物などを主成分とするものを使用することができ、例えば絶縁基体９の形成材料を抵抗体３よりも多く含んだり、抵抗体３よりも断面積を大きくしたりするなど、抵抗体３よりも単位長さ当たりの抵抗値が低くなっているものである。
このリード８は、抵抗体３と同様の材料を用いて形成することができる。特に、ＷＣが、絶縁基体９との熱膨張率の差が小さい点、高い耐熱性を有する点および比抵抗が小さい点で、リード８の材料として好適である。また、絶縁基体９が窒化珪素質セラミックスからなる場合、リード８は無機導電体であるＷＣを主成分とし、これに窒化珪素を含有量が15質量％以上となるように添加することが好ましい。窒化珪素の含有量が増すにつれてリード８の熱膨張率を絶縁基体９の熱膨張率に近づけることができる。また、窒化珪素の含有量が40質量％以下であるときには、リード８の抵抗値が小さくなるとともに安定する。従って、窒化珪素の含有量は15質量％〜40質量％が好ましい。より好ましくは、窒化珪素の含有量は20質量％〜35質量％とするのがよい。なお、リード８は、抵抗体３よりも断面積を大きくすることの他、絶縁基体９の形成材料の含有量を抵抗体３よりも少なくすることによって、単位長さ当たりの抵抗値が低くなっていてもよい。
そして、図１および図２に示したように、リード８は抵抗体３よりも太い形状であって、リード８の先端部に抵抗体３の端部が入り込むようにして接続されているとともに、抵抗体３の端面には凹部31が設けられ、この凹部31にリード８の一部が入り込んでいる。すなわち、抵抗体３とリード８との接合部は、まずリード８の先端部に抵抗体３の端部が入り込み、リード８の先端部に入り込んだ抵抗体３の端面に設けられた凹部31にリード８の一部が入り込んだ構成になっている。なお、ここでいう接合部とは、リード８の軸方向に平行な断面で視たとき、抵抗体３とリード８との界面が存在する領域のことをいう。
抵抗体３の端部は、リード８の先端部に例えば0.1〜1.0ｍｍ入り込むのが好ましく、抵抗体３の端面に設けられた凹部31の深さは抵抗体３の端部のリード８の先端部に入り込む量に応じて異なるが、例えば0.01〜0.3ｍｍである。凹部31の形状としては、断面形状（開口部形状）が円形、楕円形、多角形などが挙げられるが、凹部31の断面形状が円形の場合は、直径が例えば0.05〜1.3ｍｍであるのが好ましい。
このような構成により、急速昇温の際に大電流が流れても、抵抗体３よりも抵抗値の低いリード８に抵抗体３の内側の熱を散逸させることができる。したがって、接合部に熱がこもるのを抑制して、発熱による負荷を低減できる。
すなわち、凹部31の内側が抵抗体３に比して低抵抗であるリード８の組成になるため、発熱負荷が低減し、応力低減できる。
その結果、急速昇温の際に大電流が流れても、接合部にクラックが入るのを抑制することができる。さらに、繰り返し電流を流して温度を上下させても接合部にクラックが入るのを抑制することができ、ヒータ１の信頼性および耐久性が向上する。
ここで、本実施の形態のヒータ１は、図３と図４に示したように、接合部における抵抗体３の凹部31が抵抗体３の端面の中央部に設けられていることが好ましい。これにより、急速昇温の際に大電流が流れて抵抗体３が急激に発熱しても、散逸しにくい抵抗体３の内部に発生する熱を凹部31の内部のリード８を通して外周方向にほぼ均等に散逸させることができる。これにより、応力集中を低減できるので、長期使用でも製品抵抗が変化しないように構成することができる。
なお、図３に示すヒータ１は、抵抗体３の端部がリード８の先端部の横断面ほぼ中央部に入り込む形状になっていて、図４に示すヒータ１は、抵抗体３の端部がリード８の先端部の横断面内側寄りに入り込んで、抵抗体３からヒータ１の表面までの距離が長く使用時における絶縁性に優れているという点で、図４に示す形状のほうが好ましい。
また、図５(ａ)、図５（ｂ）に示したように、接合部における抵抗体３の凹部31の内面には角部がないことが好ましい。凹部31の内面に鋭角な角部を持たない、すなわち内面が二次曲面になっていることで、凹部31に応力集中せず、亀裂が発生しない。その結果、長期使用によっても製品抵抗が変化しない。従って、ヒータ１の信頼性および耐久性がさらに向上する。なお、図５（ａ）に示すヒータ１は、抵抗体３の端面ほぼ全面にかけて凹部31が設けられた形状になっていて、図５（ｂ）に示すヒータ１は、抵抗体３の端面のほぼ中央部付近のみに凹部31が設けられた形状になっているが、発熱負荷がより低減し、効果的に応力低減できるという点で、図５（ａ）に示す形状のほうが好ましい。
また、接合部における抵抗体３の凹部31が抵抗体３の両方の端面に設けられていることが好ましい。これにより、陽極側、負極側に関係なく、発熱による負荷を低減できるので、陽極側、負極側を気にせずにセッティングして長期間使用しても、製品抵抗が変化しない。従って、ヒータ１の信頼性および耐久性をより向上させることができる。
なお、図１乃至図５に示すヒータ１は、抵抗体３の端部がリード８の先端部に取り囲まれるように入り込んでいる形状のものである。本発明のヒータとしては、リード８が抵抗体３よりも太い形状であって、リード８の先端部に抵抗体３の端部が入り込むようにして接続されていれば、必ずしも抵抗体３の端部が全周にわたってリード８の先端部に取り囲まれておらず、例えば一部または複数箇所が切り欠かれていてもよいが、好ましくは、抵抗体３の端部がリード８の先端部に取り囲まれるように入り込んでいるのがよい。これにより、急速昇温時、熱膨張する抵抗体３を覆うリード８が、線膨張係数の違う絶縁性セラミックスとの緩衝材の役割を果たし、応力集中を低減することによって亀裂が発生しない。その結果、長期使用によっても製品抵抗が変化しない。従って、ヒータ１の信頼性および耐久性をより向上させることができる。
本実施の形態のヒータ１は、図６に示すように、当該ヒータ１と、リード８と電気的に接続されてヒータ１を保持する金属製保持部材７とを備えたグロープラグとして使用することが好ましい。金属製保持部材７は、ヒータ１を保持する筒状体であり、セラミック基体９の側面に引き出された一方のリード８にロウ材などで接合される。これにより、高温のエンジン中でON/OFFが繰り返されながら長期使用しても、ヒータ１の抵抗が変化しないので、どんなときでも着火性に優れたグロープラグを提供できる。
次に、本実施の形態のヒータ１の製造方法について説明する。
本実施の形態のヒータ１は、例えば、抵抗体３、リード８および絶縁基体９の形状の金型を用いた射出成形法等によって形成することができる。
まず、導電性セラミック粉末，樹脂バインダー等を含む、抵抗体３およびリード８となる導電性ペーストを作製するとともに、絶縁性セラミック粉末，樹脂バインダー等を含む絶縁基体９となるセラミックペーストを作製する。
次に、導電性ペーストを用いて射出成形法等によって抵抗体３となる所定パターンの導電性ペーストの成形体（成形体Ａ）を形成する。成形体Ａを金型内に保持した状態で、導電性ペーストを金型内に充填してリード８となる所定パターンの導電性ペーストの成形体（成形体Ｂ）を形成する。これにより、成形体Ａと、それに接続された成形体Ｂとが、金型内に保持された状態となる。
次に、金型内に成形体Ａおよび成形体Ｂを保持した状態で、金型の一部を絶縁基体９成形用のものに取り替えた後、金型内に絶縁基体９となるセラミックペーストを充填する。これにより、成形体Ａおよび成形体Ｂがセラミックペーストの成形体（成形体Ｃ）で覆われたヒータ１の成形体（成形体Ｄ）が得られる。
次に、得られた成形体Ｄを例えば1650℃〜1800℃の温度、30ＭＰａ〜50ＭＰａの圧力で焼成することにより、ヒータ１を作製することができる。焼成は、水素ガス等の非酸化性ガス雰囲気中で行なうことが好ましい。
本発明の実施例のヒータを以下のようにして作製した。
まず、炭化タングステン（ＷＣ）粉末を50質量％、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）粉末を35質量％、樹脂バインダーを15質量％含む導電性ペーストを、金型内に射出成形して抵抗体となる成形体Ａを作製した。
次に、この成形体Ａを金型内に保持した状態で、リードとなる上記の導電性ペーストを金型内に充填することにより、成形体Ａと接続させてリードとなる成形体Ｂを形成した。このとき、種々の形状を有する金型を用いて、抵抗体とリードとの接合部を形成した。
次に、成形体Ａおよび成形体Ｂを金型内に保持した状態で、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）粉末を85質量％、焼結助剤としてのイッテリビウム（Ｙｂ）の酸化物（Ｙｂ２Ｏ３）を10質量％、抵抗体およびリードに熱膨張率を近づけるためのＷＣを５質量％含むセラミックペーストを、金型内に射出成形した。これにより、絶縁基体となる成形体Ｃ中に成形体Ａおよび成形体Ｂが埋設された構成の成形体Ｄを形成した。
次に、得られた成形体Ｄを円筒状の炭素製の型に入れた後、窒素ガスから成る非酸化性ガス雰囲気中で、1700℃、35ＭＰａの圧力でホットプレスを行ない焼結した。得られた焼結体の表面に露出したリード端部に金具製保持部材をロウ付けしてヒータを作製した。
ここで、実施例として図２に示す形態を作製した。そのときの抵抗体３の上下方向の厚み0.9ｍｍ、水平方向の幅0.6ｍｍで、抵抗体３の端部はリード８の先端部に0.5ｍｍ入り込んでおり、抵抗体３の端面に設けられた凹部31の深さ0.05ｍｍ、凹部31の径0.5ｍｍのヒータを作製した。
また、比較例として、抵抗体３の上下方向の厚み0.9ｍｍ、水平方向の幅0.6ｍｍで、抵抗体３の端部はリード８の先端部に入り込んでおらず、抵抗体３の端面には凹部31がないヒータを作製した。
これらのヒータを用いて冷熱サイクル試験を行なった。冷熱サイクル試験の条件は、まずヒータに通電して抵抗体の温度が1400℃になるように印加電圧を設定し、１）５分間通電、２）２分間非通電の１），２）を１サイクルとし、１万サイクル繰り返した。
冷熱サイクル試験前後のヒータの抵抗値の変化を測定したところ、本発明実施例の試料は抵抗変化が１％以下であった。また、この試料の抵抗体とリードとの接続部に局部発熱の痕跡もなく、マイクロクラックも見られなかった。これに対し、比較例の試料は、抵抗変化が５％以上であり、マイクロクラックが確認できた。
１：ヒータ
３：抵抗体
31：凹部
４：発熱部
７：金属製保持部材
８：リード
９：絶縁基体

Claims (6)

  1. 絶縁基体と、
    該絶縁基体に埋設された抵抗体と、
    前記絶縁基体に埋設され、先端側で前記抵抗体に接続されるとともに後端側で前記絶縁基体の表面に導出されたリードとを備え、
    該リードは前記抵抗体よりも太い形状であって、前記リードの先端部に前記抵抗体の端部が入り込むようにして接続されているとともに、前記抵抗体の端面には凹部が設けられ、該凹部に前記リードの一部が入り込んでおり、
    前記抵抗体は横断面において端部がリードの先端側の内側に位置していることを特徴とするヒータ。
  2. 前記抵抗体および前記リードが、前記絶縁基体をなす成分を含有するとともに、前記リードにおける前記成分の含有量が、前記抵抗体における前記成分の含有量よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のヒータ。
  3. 前記凹部の内面は角部がないことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒータ。
  4. 前記凹部が前記抵抗体の両方の端面に設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載のヒータ。
  5. 前記抵抗体の端部が前記リードの先端部に取り囲まれるように入り込んでいることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれかに記載のヒータ。
  6. 請求項１に記載のヒータと、前記リードと電気的に接続されて前記ヒータを保持する金属製保持部材とを備えたことを特徴とするグロープラグ。
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